CN112968418B - 一种电热毯安全保护控制器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电热毯安全保护领域，为实现实时检测判断线路状态，提供了一种电热毯安全保护控制器，包括集成控制电路组件，所述集成控制电路组件包括采样电路及控制电路。一种电热毯安全保护控制方法，包括：1、获取电热毯的额定电阻R；2、设定开路判断阈值Rn1，短路判断阈值Rn2；3、获取电热毯当前时刻的实际电阻Rt；4、开路故障判断；短路故障判断；若线路导通且Rn2<Rt<Rn1，则进入下一步；5、开路故障判断；短路故障判断；部分短路故障判断，否则，返回步骤3。采用上述方式实现了实时检测判断线路状态并根据判断结果控制电源接通或断开。

Description

一种电热毯安全保护控制器及方法
技术领域
本发明涉及电热毯安全保护领域，具体是一种电热毯安全保护控制器及方法。
背景技术
电热毯是一种接触式电暖器具，它将特制的电热元件缝入毛毯中，通电时发出热量。主要用于人民睡眠时提高被褥内温度，达到取暖目的。采用电热毯具有耗电量少，使用方便，价格便宜等优点，是老年人冬季睡眠床褥取暖的主要方式之一。
目前市面上销售的普通电热毯一般采用机械式温控器和熔断器进行保护，主要针对发热器件短路进行保护，电热毯与人体直接接触，虽然电热元件由绝缘材料包裹，但由于电热毯使用年限、季节结束后折叠等会使电热毯绝缘材料老化，从而导致漏电；若有水浇在电热毯上也会减低电热毯的绝缘等级。
目前针对电热毯安全问题，有不同形式的以取暖为目的的“水暖毯”、热管等不同形式的加热器具出现，主要是为了解决用户担心的电热毯漏电问题，其中水暖毯由电热器件加热水，水泵驱动水在由水路构成的毯子中流动，达到热量传递的目的。水暖毯虽然解决了用户担心的漏电问题，但价格高、水泵噪声大、水箱需要定期加水等，也存在比较明显的问题。
目前电热毯技术自身无法解决用户担心的漏电安全问题，制约了电热毯未来发展空间。
发明内容
为了实时检测、判断电热毯是否存在漏电、断路、短路的情况，本发明提供了一种电热毯安全保护控制器及方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种电热毯安全保护控制器，包括集成控制电路组件，所述集成控制电路组件包括采样电路及控制电路，所述采样电路用于采集电热毯工作时的电流及电压，所述采样电路包括与电热毯电源输入的火线连接的火线采样电路及与电热毯电源输入的零线连接的零线采样电路，所述控制电路用于根据采集到的电压和电流计算电阻并与预设的阈值相比进行线路状态判断，并根据判断结果控制电热毯电源的接通或断开。
进一步地，还包括数据上报模块，所述数据上报模块用于向用户上报采样电路所采集的信息及控制电路对线路状态判断的结果。
进一步地，所述控制电路通过控制开关控制电热毯电源的接通或断开，所述控制开关为IGBT、可控硅或继电器。
一种电热毯安全保护控制方法，包括：
步骤1、获取电热毯的额定电阻R；
步骤2、设定初始开路判断阈值Rn1＝R+ΔR1，初始短路判断阈值Rn2＝R-ΔR2；
步骤3、获取电热毯当前时刻的实际电阻Rt；
步骤4、若Rt>Rn1,则报出电热毯线路开路故障，并关断电热毯的供电；若Rt<Rn2，则报出电热毯线路短路故障，并关断电热毯的供电；若线路导通且Rn2<Rt<Rn1，则进入下一步；
步骤5、若Rt-1-Rt<ΔR3，则报出电热毯线路短路故障，并关断电热毯的供电；若Rt-1-Rt<ΔR4，则报出电热毯线路部分短路故障，并关断电热毯的供电；若Rt-Rt-1>ΔR5，则报出电热毯线路开路故障，并关断电热毯的供电；否则，返回步骤3；
其中，ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4及ΔR5均为阈值参数，且ΔR1>ΔR5,ΔR2>ΔR3>ΔR4,Rt-1为上一时刻的实际电阻。
进一步地，所述额定电阻R为首次上电运行时测量电热毯电阻丝得到的电阻。
进一步地，所述额定电阻R的获取方式为：首次上电时，采集输入电压的大小，向电热毯通半个周期的交流电流，并获取火线电流或零线电流的大小，根据采集到的电压及电流计算电热毯的额定电阻。
进一步地，所述实际电阻Rt＝Vac/Iac或Rt＝Vac/I′ac，其中，Vac为输入电压，Iac为电热毯电源输入火线/零线的电流，I′ac为电热毯电源输入零线/火线的电流。
进一步地，所述步骤4还包括：获取电热毯电源输入火线/零线的电流Iac及电热毯电源输入零线/火线的电流I′ac，若|Iac-I′ac|>A1则报出电热毯线路漏电，并关断电热毯的供电；若|Iac-I′ac|>A2则报出电热毯线路存在漏电风险，其中，A1为漏电保护阈值，A2为漏电风险判定保护阈值，且A1>A2。
进一步地，所述步骤4中采用电流进行判断时Iac为当前时刻所采集到的火线/零线电流，I′ac为t时刻前所采集到的零线/火线电流，所述t为电器电源火线/零线的电流数据传输时间。
进一步地，所述步骤4中采用电流进行判断时I′ac与Iac均为采样电路半个电周期内的最大电流值或有效值。
本发明相比于现有技术具有的有益效果是：由于电热毯的电阻值受通电电流影响较小，故采用电阻值作为电路状态的判断基础，可以使判断结果更准确，通过将电热毯的实时电阻值与预设的阈值相比较即可得出电热毯的电路状态，操作简便快捷，在出现短路、开路或部分短路时能够及时切断电热毯的电源，并向用户上报电路出现的故障，使电热毯的使用更安全，同时也便于维修人员根据故障判断结果进行维修；此外，通过对电热毯电源端的火线电流与零线电流的电流平衡还可以实现漏电判断，检测精度更高；整个实现电路结构简单，制造成本低。
附图说明
图1为本发明安全保护控制方法的流程图；
图2为实施例采样电路的电路图；
图3为实施例控制电路控制部分的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种电热毯安全保护控制器，包括集成控制电路组件，所述集成控制电路组件包括采样电路及控制电路，所述采样电路用于采集电热毯工作时的电流及电压，所述采样电路包括与电热毯电源输入的火线连接的火线采样电路及与电热毯电源输入的零线连接的零线采样电路，所述控制电路用于根据采集到的电压和电流计算电阻并与预设的阈值相比进行线路状态判断，并根据判断结果控制电热毯电源的接通或断开。
采样电路的电路图如图2所示，电压采样电路包括电阻R101,R102,R103,R104,电容C101,二极管VD101及VD102。具体的，电压采样的参考为零线，火线电压通过电阻R101,R102分压。为确保能够采到输入电压的正负半周的电压值，设置有静态偏置电阻R103，通过设置VD101和VD102两个钳位二极管，确保该电路的输出电压不超过电源范围；R104和C101作为滤波电路，防止干扰。
零线电流采样电路包括电阻R201、R202、R203、电容C201，钳位二极管VD201及VD202。具体的，R201为采样电阻，用于将零线电流转换为电阻上的电压；为确保能够采到正负半周的电流值，设置有静态偏置电阻R202和R203；通过设置VD201和VD202两个钳位二极管，确保该电路的输出电压不超过电源范围；通过设置滤波电容C201可以防止干扰。
火线电流采样电路包括R301、R302、R303、R304、R305、VD301、VD302、D301、D302、C301。具体的，R301为火线电流采样电阻，用于将火线电流转换为电阻上的电压；为确保能够采到正负半周的电流值，设置有静态偏置电阻R302和R303；通过设置VD301和VD302两个钳位二极管，确保该电路的输出电压不超过电源范围；通过设置滤波电容C301可以防止干扰。
需要说明的是，将本实施例所采用的火线电流采样电路与电热毯电源端的零线连接，则可采集零线电流，同理，零线电流采样电路也可用于采集火线电流。
进一步的，设置有AD采样芯片D301，用于将火线电流信号转换为数字信号，设置有由R304、D302、R305组成的数字隔离电路，用于隔离传输D301采集到的火线电流的数字信号；火线采样电路的供电为+3.3VL，与+3.3VN相互隔离，该电路接入电热毯的供电电路中，用于检测电路是否出现漏电。
控制电路控制部分的电路图如图3所示：IN为被控线路的输入端，OUT为被控线路的输出端，C为该电路的控制信号输入端。当C为高电平时，V401导通，通过光耦D401控制可控硅V403导通，此时输入端IN和输出端OUT连通，当C为低电平时，在下一个交流过零时刻，可控硅V403关断，IN和OUT断开，从而切断对外输出的电源。由D401、R404、V403组成的电路部分可用继电器代替。该电路可应用于火线和零线。
进一步地，还包括数据上报模块，所述数据上报模块用于向用户上报采样电路所采集的信息及控制电路对线路状态判断的结果。数据上报模块在向用户进行数据传输时可以采用有线传输也可采用无线传输，在本实施例中采用WiFi/蓝牙与用户端进行通讯。
如图1所示，一种电热毯安全保护控制方法，包括：
步骤1、获取电热毯的额定电阻R，将首次上电运行时测量电热毯电阻丝得到的电阻作为额定电阻R。具体可以在首次上电时，通过电压采样电路采集输入电压的大小，通过控制开关向电热毯通半个周期的交流电流，并通过火线电流采样电路或零线电流采样电路采集电流的大小，根据采集到的电压及电流计算电热毯的额定电阻；也可以通过采集多个半周期的平均值来计算额定电阻；
步骤2、设定初始开路判断阈值Rn1＝R+ΔR1，初始短路判断阈值Rn2＝R-ΔR2；
步骤3、获取电热毯当前时刻的实际电阻Rt，在本实施例中，以Iac为火线电流，I′ac为零线电流为例进行说明，具体为获取电热毯电源的输入电压Vac，火线的电流Iac或零线电流I′ac，计算电热毯电阻Rt＝Vac/Iac或Rt＝Vac/I′ac；
步骤4、若Rt>Rn1,则报出电热毯线路开路故障，并关断电热毯的供电；若Rt<Rn2，则报出电热毯线路短路故障，并关断电热毯的供电；若线路导通且Rn2<Rt<Rn1，则进入下一步；
步骤5、若Rt-1-Rt<ΔR3，则报出电热毯线路短路故障，并关断电热毯的供电；若Rt-1-Rt<ΔR4，则报出电热毯线路部分短路故障，并关断电热毯的供电；若Rt-Rt-1>ΔR5，则报出电热毯线路开路故障，并关断电热毯的供电；否则，返回步骤3；
其中，ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4及ΔR5均为阈值参数，且ΔR1>ΔR5,ΔR2>ΔR3>ΔR4,Rt-1为上一时刻的实际电阻。ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4及ΔR5的具体值可以根据实际情况进行设置，在此不作限制。
采用上述步骤可以实现电热毯线路的开路、短路及部分短路的实时判断，并根据判断结果及时切断电热毯的供电，使用更安全。电热毯在运行过程中随着温度的变化，电热毯的电阻丝也会发生阻值变化，在运行过程中引入对相邻时刻的阻值进行检测可有效避免电热毯电阻丝阻值变化带来的影响。
为了增加对漏电及漏电风险的判断，所述步骤4还包括：若|Iac-I′ac|>A1则报出电热毯线路漏电，并关断电热毯的供电；若|Iac-I′ac|>A2则报出电热毯线路存在漏电风险以提醒用户检修；其中，A1为漏电保护阈值，A2为漏电风险判定保护阈值，且A1>A2，A1与A2的具体取值可以根据实际需要进行设定，在此不做限制。对漏电及漏电风险的判断也可以实时进行。
如图2所示，由于火线电流采样电路中接入了如AD采样芯片D301的电子器件，它们会影响火线电流的传输速率，故火线电流会存在一定滞后，如：使用100Kbps的速率进行通讯，则传输16位AD值的滞后时间为160us。因此，在对火线电流和零线电流进行对比分析时，需要对零线电流在时序上进行延时，延时时间为火线电流数据传输时间。即将当前火线电流采样电路的电流值与t时刻之前的零线电流采样电路的电流值进行对比。
进一步地，Iac及I′ac均为半个电周期(如50Hz交流电，则为10ms)内的最大电流值。Iac与I′ac还可以是采样电路的有效值。

Claims (10)

1.一种电热毯安全保护控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、获取电热毯的额定电阻R；
步骤2、设定初始开路判断阈值Rn1＝R+ΔR1，初始短路判断阈值Rn2＝R-ΔR2；
步骤3、获取电热毯当前时刻的实际电阻Rt；
步骤4、若Rt>Rn1,则报出电热毯线路开路故障，并关断电热毯的供电；若Rt<Rn2，则报出电热毯线路短路故障，并关断电热毯的供电；若线路导通且Rn2<Rt<Rn1，则进入下一步；
步骤5、若Rt-1-Rt<ΔR3，则报出电热毯线路短路故障，并关断电热毯的供电；若Rt-1-Rt<ΔR4，则报出电热毯线路部分短路故障，并关断电热毯的供电；若Rt-Rt-1>ΔR5，则报出电热毯线路开路故障，并关断电热毯的供电；否则，返回步骤3；
其中，ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4及ΔR5均为阈值参数，且ΔR1>ΔR5,ΔR2>ΔR3>ΔR4,Rt-1为上一时刻的实际电阻。
2.根据权利要求1所述的一种电热毯安全保护控制方法，其特征在于，所述额定电阻R为首次上电运行时测量电热毯电阻丝得到的电阻。
3.根据权利要求2所述的一种电热毯安全保护控制方法，其特征在于，所述额定电阻R的获取方式为：首次上电时，采集输入电压的大小，向电热毯通半个周期的交流电流，并获取火线电流或零线电流的大小，根据采集到的电压及电流计算电热毯的额定电阻。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种电热毯安全保护控制方法，其特征在于，所述实际电阻Rt＝Vac/Iac或Rt＝Vac/I′ac，其中，Vac为输入电压，Iac为电热毯电源输入火线/零线的电流，I′ac为电热毯电源输入零线/火线的电流。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的一种电热毯安全保护控制方法，其特征在于，所述步骤4还包括：获取电热毯电源输入火线/零线的电流Iac及电热毯电源输入零线/火线的电流I′ac，若|Iac-I′ac|>A1则报出电热毯线路漏电，并关断电热毯的供电；若|Iac-I′ac|>A2则报出电热毯线路存在漏电风险，其中，A1为漏电保护阈值，A2为漏电风险判定保护阈值，且A1>A2。
6.根据权利要求5所述的一种电热毯安全保护控制方法，其特征在于，所述步骤4中采用电流进行判断时Iac为当前时刻所采集到的火线/零线电流，I′ac为ΔT时刻前所采集到的零线/火线电流，所述ΔT为电器电源火线/零线的电流数据传输时间。
7.根据权利要求5所述的一种电热毯安全保护控制方法，其特征在于，所述步骤4中采用电流进行判断时I′ac与Iac均为采样电路半个电周期内的最大电流值或有效值。
8.一种电热毯安全保护控制器，应用于权利要求1-7任意一项所述的一种电热毯安全保护控制方法，包括集成控制电路组件，其特征在于，所述集成控制电路组件包括采样电路及控制电路，所述采样电路用于采集电热毯工作时的电流及电压，所述采样电路包括与电热毯电源输入的火线连接的火线采样电路及与电热毯电源输入的零线连接的零线采样电路，所述控制电路用于根据采集到的电压和电流计算电阻并与预设的阈值相比进行线路状态判断，并根据判断结果控制电热毯电源的接通或断开。
9.根据权利要求8所述的一种电热毯安全保护控制器，其特征在于，还包括数据上报模块，所述数据上报模块用于向用户上报采样电路所采集的信息及控制电路对线路状态判断的结果。
10.根据权利要求8或9所述的一种电热毯安全保护控制器，其特征在于，所述控制电路通过控制开关控制电热毯电源的接通或断开，所述控制开关为可控硅或继电器。
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